CN115380153A - 由多种材料制成的轮叶 - Google Patents

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多利安·亚历山大·阿尔班·班特维尔
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Abstract

涡轮机轮叶的翼型件(3)包括第一结构阻力部分(8)，该第一结构阻力部分由两个端部部分(11，12)和将两个端部部分接合的芯部(13)形成，这两个端部部分包括前缘和后缘(4，5)以及吸力面和压力面的端部带状物(14，15，16，17)。轮叶的另外两个部分(9，10)由例如复合材料的轻质材料制成、在端部部分之间，以构成完整的翼型件。根据本发明，芯部在端部部分之间具有倾斜或对角的延伸部。

Description

由多种材料制成的轮叶
技术领域
本发明的主题是一种由多种材料制成的轮叶。
背景技术
航空领域对轻型涡轮机的不断探索也延伸到了轮叶。中空轮叶的各种设计已经被提出，但中空轮叶的使用并不总是可能的。减轻轮叶的另一种方法是使用更轻的材料，例如复合材料；但是这种方法也有局限性，因为轻质材料通常对轮叶的最大载荷部分(例如暴露于由于气体中夹带的固体杂质引起的冲击和磨损下的前缘)不具有所需的阻力；而且，轻质材料通常不能使得前缘和后缘以足够的精细度成形。
然后提出(这是文献FR 3035679 A等的主题)通过加强件来加强由轻的材料构成的大型轮叶，该加强件由抗阻力材料制成的薄的箔片制成，该薄的箔片被折叠以覆盖下表面和上表面的小的带状物上的主要材料。然后获得在使用中既轻又足够抗阻力的轮叶。然而，这些局部加强件也具有某些缺点：首先，箔片的成形是困难的，因为这种薄且细长的部件缺乏刚性，并且必须成形为复杂且不规则的形状，近来的轮叶的边缘在轴向方向和切向方向上往往具有显著且高度可变的倾角(被称为垂角和二面角)；即使加强件用非常薄的箔片构造，则加强件也会产生太厚和圆形的折叠部，而无法建造相当薄和锋利的轮叶边缘。
在US 3 294 366A中也公开了一种改进的轮叶结构，但通过本发明得到了完善。
发明内容
根据本发明提出了另一种结构。根据总体限定，所述结构包括：轮叶，该轮叶包括加强的前缘和后缘，并且在前缘和后缘之间延伸，同时受到下表面和上表面的限制，下表面和上表面是轮叶的两个主空气动力学表面，在轮叶的厚度方向上相对，并且各自从前缘延伸到后缘；轮叶由第一部分、第二部分和第三部分形成，第一部分由第一材料制成为一体件，第一部分由包括前缘的第一端部部分、包括后缘的第二端部部分以及将第一端部部分连接到第二端部部分的芯部构成，第一端部部分和第二端部部分各自包括主空气动力学表面中的每一个主空气动力学表面的带状物；第二部分在第一端部部分和第二端部部分之间延伸并接合到芯部的主表面，第二部分由比第一材料轻的第二材料制成，并且第二部分承载主空气动力学表面中的第一空气动力学表面的、在所述第一空气动力学表面的属于端部部分中的每一个端部部分的带状物之间的区域；第三部分与第二部分类似，由比第一材料轻的材料制成，并且第三部分承载主空气动力学表面中的第二空气动力学表面的、在所述第二空气动力学表面的属于第一部分的端部部分的带状物之间的区域；其特征在于，芯部在轮叶的高度的至少一部分上具有沿厚度方向的倾斜延伸部，这使得第二部分在靠近第二端部部分处的厚度大于在靠近第一端部部分处的厚度，所述第三部分在靠近第一端部部分处的厚度大于在靠近第二端部部分处的厚度。
前缘和后缘在前缘和后缘的至少大部分延伸部上被构造为下表面和上表面的刚性部分，而不是由弯曲的箔片形成。由于这些端部部分的刚性，获得了制造前缘和后缘的更容易性，以及构造具有尖锐部段的前缘和后缘的能力。芯部通过承受出现在叶片中的力来确保组件的内聚力。第二部分可以比第一部分大得多，从而使得能够显著的整体减轻。第二部分与第一部分的内聚力良好，因为第二部分被布置在由第一部分形成的、在端部部分之间的腔中，端部部分沿叶片的厚度方向从芯部突出。第二部分的机械阻力可以很低，因为叶片所受到的力由第一部分承受，第二部分是合理的，以便恢复叶片的连续主表面，因此使叶片具有良好的空气动力学质量。第三部分具有与第二部分相同的特性。
第二部分和第三部分均可以由第二材料构成。
第一端部部分和第二端部部分通常被选择为实心的(并且在厚度方向上比芯部厚)，以使第一端部部分和第二端部部分具有足够的强度。
对包括振动的静态力或动态力的阻力或刚度的考虑对于轮叶(在此尤其是芯部和第一部分)的形状和尺寸的参数的精确限定是重要的。重要的想法是，轮叶的在不同半径处截取的截面由于芯部的位置不同而不同，因此该芯部可能发生屈曲，也就是说沿径向方向在涡轮机的角方向上均匀或不均匀的倾斜；或围绕径向方向的扭转(旋转)，从一个切面到另一个切面。这就产生了某些特定结构，根据这些结构：
-在穿过轮叶截取的截面中，在轮叶的径向方向上，从下表面到上表面，并且在轮叶的高度的一部分上，第二部分和第三部分中的一个在径向方向的向外方向上具有增大的厚度，第二部分和第三部分中的另一个在所述向外方向上具有减小的厚度；
-在穿过轮叶、邻近第一端部部分截取的第一截面中，在轮叶的径向方向上，从下表面到上表面，并且在轮叶的高度的一部分上，第二部分和第三部分中的一个在径向方向的向外方向上具有增大的厚度，第二部分和第三部分中的另一个在所述向外方向上具有减小的厚度；并且，在穿过轮叶、邻近第二端部部分截取的第二截面中，在轮叶的径向方向上，从下表面到上表面，并且在轮叶的高度的一部分上，第二部分和第三部分中的所述一个在径向方向的向外方向上具有减小的厚度，第二部分和第三部分中的所述另一个在所述向外方向上具有增大的厚度。
这种结构可以沿径向方向在轮叶的整个高度上延伸，或者仅在该高度的一部分上延伸。因此，根据有利的结构，轮叶的所述高度部分在高度上具有至少30％的延伸部；高度从轮叶的径向内端部处的0％到轮叶的径向外端部处的100％变化；或者再次，轮叶的所述高度部分在介于这些端部之间的20％的高度至80％的高度之间延伸。
根据其它结构的可能性，第二部分和/或第三部分(至少在轮叶的高度的一部分上)具有如下厚度，该厚度在端部部分中的一个端部部分的方向上连续地向零减小，也就是说，芯部可以在下表面或上表面处连接到端部部分或者仅端部部分中的一个端部部分。
根据为本发明考虑的某些实施例，第一端部部分和第二端部部分通过分别与前缘和后缘相对的后表面连接到芯部，后表面是大致平坦的，并且芯部是由两个相对的和光滑的主表面界定的刚性板。
根据芯部所需的阻力特性，芯部还可以从第一端部部分到第二端部部分具有可变厚度。
第一材料通常是金属的，并根据材料的阻力进行选择，而第二材料(以及第三部分的材料，如果第三部分的材料与第二材料不同)可以由复合材料或聚合物(耐高温)制成，以提供所需的轻量化。第二部分和第三部分与第一部分的组装通常是容易的，因为第二部分和第三部分位于第一部分的一个或多个腔中，其中第二部分和第三部分可以被模制或形成，从而通过粘合到第一部分产生良好的内聚力。
附图说明
现在将通过以下附图来描述本发明的各个方面、特征和优点，这些附图说明了纯粹以说明方式给出的某些实施例：
图1是轮叶的总体透视图；
图2是本发明的第一实施例的截面；
图3是第二实施例的截面；
图4A、图4B和图4C是第三实施例的三个连续截面；
图5A、图5B和图5C是第四实施例的三个连续截面；
图6是第五实施例的截面；
图7是本发明的第四实施例的透视图；
图8是第四项权利要求的沿相反取向的透视图；
图9是可能的布局细节的视图；
以及图10是这种细节的另一个实施例。
具体实施方式
图1示出了可以应用于本发明的轮叶(例如压缩机轮叶)的总体视图：轮叶包括位于内径向端部处的内平台1、位于外径向端部处的外平台2、以及将平台1和2接合并且植入本发明的叶片3。叶片3用于在气体流动路径中延伸，在气体流动路径中，该叶片可以暴露于高温以及来自气流中夹带的各种固体杂质的冲击下。叶片包括前缘4和后缘5，并且该叶片受到两个弯曲的空气动力学表面的限制，这两个弯曲的空气动力学表面将前缘4接合到后缘5，包括在叶片3的厚度方向T上相对的上表面6和下表面7。对于叶片3的在径向方向R上具有恒定半径的每个部段，除了考虑厚度方向T之外，还考虑从前缘4延伸到后缘5的伸长方向X，这三个方向是垂直的。还将限定轮叶上的在径向方向R上从内平台1处的0％到外平台2处的100％测量的高度参数。
图2详细描述了叶片3的结构。该叶片由第一部分8和在该实施例中由第二部分9和第三部分10构成。第一部分8具有结构刚性的作用，并且通常由金属构成。该第一部分包括第一端部部分11、第二端部部分12和将这些端部部分11和12接合的芯部13。第一端部部分11包括前缘4以及上表面6和下表面7的两个端部带状物14和15，这两个端部带状物在前缘4处彼此接合。第二端部部分12包括后缘5以及上表面6和下表面7的两个端部带状物16和17，这两个端部带状物在后缘5处彼此接合。然而，带状物14和16以及带状物15和17占据上表面6和下表面7的宽度的小部分(在伸长方向X上)。端部部分11和12是实心的，也就是说，端部部分具有实心的部段，并且在叶片3的厚度方向T上从上表面6的端部带状物14或15连续地延伸到下表面7的端部带状物16或17，因此端部部分在前缘4和后缘5处占据叶片3的整个厚度，并且接近叶片的整个厚度(然而，端部部分的分别与前缘4或后缘5相对的端部可以由平坦或略凹的后表面18或19连接，如图所示)。
芯部13是通过端部部分11和12的后表面18和19接合该端部部分的间隔件。该芯部与端部部分一体地制成，该芯部可以由在两个主表面20和21之间延伸的板或弯曲的刚性翼形件组成，这两个主表面可以是光滑的，或者相反地可以是有加强肋的。该芯部的厚度在此是可变的，该芯部在中心处的厚度大于在靠近端部部分11和12处的厚度。可以确定，端部部分11和12之间有或没有演变或变化取决于为轮叶获得的静态或动态机械强度，而这实际上在很大程度上取决于芯部13的特征。在任何情况下，芯部13的厚度明显小于端部部分4和5的厚度，结果是芯部13在这些部分之间仅占据叶片3的体积的一小部分。在芯部13与端部部分11和12之间的厚度的突变被接受，并且在此出现。
第二部分9和第三部分10在芯部13的相对侧、在由芯部13和端部部分11和12界定的腔中延伸。第二部分9主要由芯部13的主表面20、第二端部部分12的后表面19和第一端部部分11的上表面6一侧上的带状物14界定。第三部分7主要由芯部13的另一主表面21、第一端部部分11的后表面18和第二端部部分12的下表面7一侧上的带状物17界定。第二部分9和第三部分10分别承载上表面6的在带状物14和16之间的区域的最大部分以及下表面7的在带状物15和17之间的区域的最大部分。第二部分和第三部分由比第一部分8轻的材料构成，例如由复合材料或聚合物制成。第二部分和第三部分可以被模制在第一部分8的腔中。叶片3由于第一部分8是刚性的，由于端部部分11和12是抗阻力的，并且由于第二部分9和第三部分10的大体积是轻的。上表面6和下表面7的属于第二部分9和第三部分10的区域完美地延伸带状物14、15、16和17，因此使上表面6和下表面7具有连续和规则的形状，并且使叶片3具有良好的空气动力学质量。换句话说，第二部分9和第三部分10各自在两个端部部分11和12之间延伸，并且分别承载上表面6和下表面7的空气动力学表面的一部分，第二部分和第三部分被定位为确保所述上表面6和下表面7与带状物14、15、16和17的连续性，并用所述带状物补充所述上表面和下表面。
现在将描述其他替代实施例。
图3示出了替代实施例，该替代实施例示出了第一部分(现在是22)的芯部23，该芯部的厚度在伸长方向X上是均匀的，但在其他方面类似于图2的实施例。
与诸如US 3 294 366 A的实施例的轮叶相比，因此在此提出了使端部部分的连接芯部沿轮叶的长度尺寸倾斜穿过轮叶的厚度尺寸。这种新的设计使得能够通过进一步使轮叶有加强肋(例如，可以通过使芯部具有弯曲的蜿蜒部或横向肋形状来加强这种效果)和通过增加第二部分和第三部分的内聚力来加强叶片，与第二部分和第三部分的厚度或多或少恒定的部分相比，第二部分和第三部分的锥形形状包括一个尖端处的更大部分和相对尖端处的更灵活部分。芯部的厚度可以在径向方向上变化，以考虑部件所承受的空气动力。芯部13可以根据所考虑的叶片的部段而具有变化的形状。这将通过以下附图来更具体地描述。
让我们考虑在图1中示出并且沿径向方向R在轮叶的三个不同高度处截取的三个截面A-A、B-B和C-C，并将这三个截面进行比较。在本发明的某些实施例中，如图4A、图4B和图4C所示，芯部(现在是33)具有扭曲形状，也就是说，芯部的连续截面通过围绕径向方向R的旋转而彼此推导出，这使得芯部从例如类似于图3的形状切换到图4C的相反形状，在图3中，芯部在下表面接合第一端部部分31，在上表面接合第二端部部分，在图4C中，芯部在上表面接合第一端部部分31，在下表面接合第二端部部分32；在这两个高度之间存在中间形状，如图4B所示，根据该中间形状，芯部33大约以中间厚度接合两个端部31和32。换句话说，轮叶的第二部分34和第三部分35的厚度e2和e3分别在外径向方向(朝向外平台2)上沿着轮叶的第一径向截面(图1中的沿着径向方向R和轮叶的厚度方向截取的CR1-CR1，邻近第一端部部分31)减小和增大(e21和e31)，沿着另一个径向截面(CR2-CR2，邻近第二端部部分32)分别增大和减小，其中，第二部分34和第三部分35的厚度e22和e32分别在外径向方向上增大和减小。
图5A、图5B和图5C示出了另一种可能的结构，根据该结构，芯部(现在是43)具有沿涡轮机的角方向倾斜的翼形形状，也就是说，芯部的连续截面主要通过沿着轴向方向和轮叶的厚度方向的旋转而彼此推导出，芯部43在图5A中更靠近下表面，在图5B中更靠近上表面，在图5C中甚至更靠近上表面。换句话说，第二部分44的厚度e2在外径向方向上减小，第三部分45的厚度e3增大。此外，这种演变沿着芯部43的每个截面是不规则的，芯部43在轮叶的厚度方向和高度方向上的位置在靠近第一端部部分41处变化很大，如果有的话，在靠近第二端部部分42处变化很小。图7和图8更完整地说明了该实施例。
相反的演变是可能的。
芯部的这种结构通常将被选择为芯部的这种结构对静力或空气动力的抵抗，或芯部的这种结构对振动的刚性，与轮叶的特定实施例相关联；芯部的这种结构将通过模型上的测试或计算来确定。
也可以提出与在此描述的结构不同且可能更复杂的结构。这就是为什么变化的形状可能仅涉及芯部的一部分，然后附加部分在径向方向R上具有规则的形状。形状的演变可能仅存在于轮叶的高度的一部分上，例如存在于总高度的30％的范围内，或者例如也存在于介于内平台1和外平台2之间的20％的高度至80％的高度之间的区域中，存在于0％的高度至100％的高度处。
在此也没有关于芯部的厚度的规则，芯部的厚度可以在径向方向以及垂直方向上可变或不可变，例如在平台处(或一般而言在径向端部处)比在中间高度处厚，或者在端部部分的连接部处比在这些部分之间的中间长度处厚。
第二部分和第三部分与第一部分的粘合可以通过以下各种方式获得：通过二次成型、粘合或将第二部分和第三部分的突出部分互锁在第一部分的对应凹部中(例如，可见存在于后表面18和19上)。
确保轮叶一致性的完全不同的方式在于，为芯部(例如芯部13)提供孔50，该孔使得第二部分和第三部分(例如9和10)能够直接地接合，第二部分和第三部分的材料填充孔50。二次成型是特别适合的制造方法。图9示出了具有两个径向和轴向相对的孔50的结构，图10示出了具有以规则矩形阵列分布的八个孔的结构。孔50的数量、布置和宽度根据所需的内聚力来选择；就像在机械应力较小的位置处的任何厚度变化一样，孔也具有减轻芯部从而减轻轮叶的效果。图9和图10还示出了图3的实施例，其中芯部13在整个高度上具有几乎可重叠的部段，芯部在上表面6处接合第一端部部分11，在下表面7处接合第二端部部分12，但是在此考虑的所有其他实施例中都可以制造类似的孔。
最后，芯部不必在下表面或上表面处接合端部部分：第二部分和第三部分可以在这些位置和轮叶的所有高度处保持非零厚度，这如图6所示。

Claims (15)

1.一种轮叶，所述轮叶包括加强的前缘和后缘，并且在所述前缘和所述后缘之间延伸，同时受到下表面和上表面的限制，所述下表面和所述上表面是所述轮叶的两个主空气动力学表面，在所述轮叶的厚度方向(T)上相对，并且各自从所述前缘延伸到所述后缘；所述轮叶由第一部分(8，22)、第二部分(9)和第三部分(10，30)形成，所述第一部分由第一材料制成为一体件，所述第一部分由包括所述前缘(4)的第一端部部分(11)、包括所述后缘(5)的第二端部部分(12)以及将所述第一端部部分(11)连接到所述第二端部部分(12)的芯部(13，23)构成，所述第一端部部分和所述第二端部部分各自包括所述主空气动力学表面(6，7)中的每一个主空气动力学表面的带状物(14，15，16，17)；所述第二部分在所述第一端部部分和所述第二端部部分之间延伸并接合到所述芯部的主表面，所述第二部分由比所述第一材料轻的第二材料制成，并且所述第二部分承载所述主空气动力学表面(6，7)中的第一空气动力学表面的、在所述第一空气动力学表面的属于所述端部部分中的每一个端部部分的带状物之间的区域；所述第三部分被接合到所述芯部的与第一主表面相对的第二主表面，并且所述第三部分承载所述主空气动力学表面中的第二空气动力学表面的、在所述第二空气动力学表面的属于所述端部部分中的每一个端部部分的带状物之间的区域，所述第三部分由比所述第一材料轻的材料制成；其特征在于，所述芯部(13)在所述轮叶的高度的至少一部分上具有沿所述厚度方向的倾斜延伸部，所述第二部分(9)在靠近所述第二端部部分处的厚度大于在靠近所述第一端部部分处的厚度，所述第三部分(10)在靠近所述第一端部部分处的厚度大于在靠近所述第二端部部分处的厚度。
2.根据权利要求1所述的轮叶，其特征在于，所述第一端部部分和所述第二端部部分通过与所述前缘和所述后缘相对的后表面(18，19)连接到所述芯部，所述后表面是大致平坦的。
3.根据权利要求1或2所述的轮叶，其特征在于，所述芯部(13)是由两个相对的和光滑的主表面(20，21)界定的刚性板。
4.根据权利要求3所述的轮叶，其特征在于，所述板在所述第一端部部分和所述第二端部部分之间具有可变厚度。
5.根据前述权利要求中任一项所述的轮叶，其特征在于，所述第二部分和所述第三部分均由所述第二材料构成。
6.根据前述权利要求中任一项所述的轮叶，其特征在于，所述第一材料是金属的。
7.根据前述权利要求中任一项所述的轮叶，其特征在于，所述第二材料和所述第三部分的材料由复合材料或聚合物制成。
8.根据权利要求7所述的轮叶，其特征在于，所述第二部分和所述第三部分被模制或形成在所述第一部分中。
9.根据前述权利要求中任一项所述的轮叶，其特征在于，所述第一端部部分和所述第二端部部分(11，12)是实心的，并且在所述厚度方向上比所述芯部(13)厚。
10.根据前述权利要求中任一项所述的轮叶，其特征在于，在穿过所述轮叶截取的截面中，在所述轮叶的径向方向上，从所述下表面到所述上表面，并且在所述轮叶的高度的一部分上，所述第二部分(44)和所述第三部分(45)中的一个在所述径向方向的向外方向上具有增大的厚度(e3)，所述第二部分和所述第三部分中的另一个在所述向外方向上具有减小的厚度(e2)。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的轮叶，其特征在于，在穿过所述轮叶、邻近所述第一端部部分截取的第一截面中，在所述轮叶的径向方向上，从所述下表面到所述上表面，并且在所述轮叶的高度的一部分上，所述第二部分(34)和所述第三部分(35)中的一个在所述径向方向的向外方向上具有增大的厚度，所述第二部分和所述第三部分中的另一个在所述向外方向上具有减小的厚度；并且，在穿过所述轮叶、邻近所述第二端部部分截取的第二截面中，在所述轮叶的径向方向上，从所述下表面到所述上表面，并且在所述轮叶的高度的一部分上，所述第二部分和所述第三部分中的所述一个在所述径向方向的向外方向上具有减小的厚度，所述第二部分和所述第三部分中的所述另一个在所述向外方向上具有增大的厚度。
12.根据前述权利要求中任一项所述的轮叶，其特征在于，所述第二部分和/或所述第三部分至少在所述轮叶的高度的一部分上具有如下的厚度，该厚度在所述端部部分中的一个端部部分的方向上连续地向零减小。
13.根据权利要求10或11所述的轮叶，其特征在于，所述轮叶的高度部分在高度上具有至少30％的延伸部，高度从所述轮叶的径向内端部处的0％到所述轮叶的径向外端部处的100％变化。
14.根据权利要求13所述的轮叶，其特征在于，所述轮叶的所述高度部分在介于所述轮叶的所述径向内端部和所述径向外端部之间的20％的高度至80％的高度之间延伸。
15.根据前述权利要求中任一项所述的轮叶，其特征在于，所述轮叶包括穿过所述芯部的孔(50)，所述第二部分和所述第三部分通过所述孔接合。
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